工业炉上热电偶补偿导线的不当使用

摘要:通过2789个故障实例说明了工业加热生产现场所应用的热电偶补偿导线不当使用引发的设备运行事故和生产事故。分析了事故产生的原因。指出了为避免同类生产和设备事故应该采取的关于工业加热生产现场热电偶配套补偿导线的配置、运行、操作方式的32个要点以及相关的技术措施。
       传感器的正确、规范化应用是保障测量与控制设备正常运行、在工业生产中实现工艺技术的关键。工业加热炉作业现场常见测温传感器与计量控制仪表配置和使用不当所致的设备运行故障和生产事故。这些故障和事故使温度计量和控制不能正确实现，会影响热加工生产的进程和作业效率、造成产品质量的降低;严重时还会使产品批量不合格，甚至造成电炉设备的损坏导致停产、引发电炉损坏事故。所以，在工业加热生产现场必须保证温度传感器、装置仪表使用与配套的合理、规范。热电偶是工业加热现场常用的测温传感器。根据生产现场积累的实践经验，记录了--些因热电偶所用补偿导线配置或使用不当引发的典型工业电炉设备、生产故障，对其中的一些关于补偿导线的故障加以分析讨论、供从业人员在工业加热生产现场进行电炉设备维护、管理与生产运行工作时参考。热电偶只是工业加热用电炉温度显示和控制系统的一-个传感器器件,在以下的分析中,为简洁突出重点，除特殊指出外，我们假定供电电源、电炉炉体和指示控制仪表及热电偶本体均为完好无故障状态。
1补偿导线和热电偶不配套使用的故障
1.1故障实例
       热加工车间1300℃高温电阻炉大修后试车,发现在高温区1000℃以上温度指示偏大严重。800℃及以下时温度显示数值也偏大。
1.2故障现场处理及原因分析
1)处理方法
       热电偶及显示仪表在大修时均进行了规范校正和标;定，大修后安装也符合操作施工规程。本设备采用的热电偶为铂铑10-铂。按照仪表指示显示的数值保持电炉温度800℃，用毫伏计测定变送器输人端毫伏值和热电偶输出端毫伏值，测得的指示仪表毫伏值虽然与800℃温度显示一致，但对照分度表发现与铂铑10-铂热电偶的分度值累加冷端温度校正后的理论毫伏值相差较大.检查补偿导线，发现补偿导线的的材质是“铜-康铜”;这类补偿导线是和“镍铬-镍硅”热电偶配套的。而“铂铑10-铂”热电偶配套的应该为“铜-铜镍"补偿导线。显然，补偿导线配套选用的错误导致了温度测量的不准:确。更换相应的补偿导线，故障排除。
2)原因分析
       现场安装仪表时，忽略了补偿导线与热电偶的配套关系导致故障。热电偶的测温原理建立在冷端温度恒定的基础之.上。所以热电偶的负极在安装现场应设置在温度恒定的区域，再通过一定的温度补偿达到计量正确的目的;这类温度补偿即冷端补偿。要注意的是，补偿导线的作用不是补偿冷端的电势;为使热电偶测温电极的冷端温度恒定，必须将电极延长;但是热电偶的电极均为贵重金属，如本例中的铂铑10-铂热电偶，将其电极延长会增加设备的投资成本，所以，通常的做法是用在常温下(0~100℃)与热电偶电极材料热电特性相近的金属导线将热电极的冷端延伸到远离热源、温度稳定的区域，这种材料的导线称为延长导线或补偿导线，显然,补偿导线的功能在于“补偿热电极长度的不足”。按照补偿导线与热电极热电特性在常温下相近的思路，补偿导线和热电偶是配套使用的。
1.3故障1揭示的要点
(1)补偿导线仅起到延长电极的作用，其长度在热电偶允许装置的距离内不影响计量效果。(因为热电势仅与材料有关)
(2)补偿导线应与所采用的热电偶配套使用。
(3)补偿导线的工况在0~100℃。
1.4与故障1相关的技术措施
(1)热电偶补偿导线要根据所处的环境温度和现场工况进行选择。根据现场环境温度情况选择相应的补偿导线护套，环境温度为-25~105℃时应该选择聚氟乙烯护套，环境温度为-60~205℃时选择聚全氟Z烯护套，在-60~260℃时选择聚四氟乙烯为护套。
(2)补偿导线与热电偶配套对应关系如表1。表1选自文献[1]和GB/T4889--94《热电偶用补偿导线》。补偿导线的绝缘着色及护套着色也可以采用IEC-584-3推荐的标准，可查阅GB/T4889--94的附表。热电偶的分度值查阅常用手册可得到12.”。

2补偿导线、热电偶正负极错用的故障
2.1故障实例2
       热处理车间一电阻炉，仪表周期送检校验合格、准予继续使用，重新原位安装后出现没有温度指示。
2.2故障现场处理及原因分析
(1)处理方法:仪表及热电偶原运行正常，检定合格。出现这样的问题主要从安装角度考虑。现场观察发现仪表指针反向偏转，说明线路连接没有问题。用毫伏表测量热电偶和仪表输人端，发现为热电偶正负极接反,调整热电偶正负极，仪表指示正常但发现指示温度值比实际温度值偏小，询问检定人员和现场安装人员，排除冷端补偿和零点校正问题的可能。观察发现热电偶补偿导线的正负极也为反接，调整为正确的正负极接法，设备恢复正常。.
(2)原因分析:热电偶和补偿导线之所以能够将温度信号转化为电势信号，是由于不同金属在相同的温差下产生的电势不同。这样就使得热电偶及其补偿导线的不同电极相对输出端具有正负极性。极性接反自然使得仪表不能显示。本例中热电偶极性错误使得仪表出现反向偏转,表现为没有温度显示;在第1次进行调整时，没有同时调整补偿导线，补偿导线的电势与热电偶电势反向叠加，输出电势变小，表现为仪表指示温度较实际温度偏低。
2.3故障2揭示的要点
(1)热电偶与补偿导线均具有极性，不能接反。
(2)补偿导线和热电偶的极性应对应一致。
(3)进行热电偶校验时最好和现场配套的补偿导线一并校验。
3冷端补偿不足故障
3.1故障实例3
       某热处理车间电炉温度控制器采用热电偶作为测温传感器。仪表大修检定校验后出现大批温度控制器指示偏低故障。
3.2故障的现场处理及原因分析
(1)处理方法:实际测量温控器输入端的毫伏值，计算出理论温度，与电炉的实际温度对照，发现温度变送器存在零点调整偏低问题。校正温控器零点,故障排除。
(2)原因分析:这实际上是-一个冷端补偿问题。热电偶的冷端温度理论值是0℃。但工业现场，热电偶的冷端通常在室温环境下。温度变送器输人端接收的电势V等于热电偶所产生的电势E减去冷端电势(环境温度电势)E2。即，V=E-E2。在仪表校验室，室温较低，冷端产生的热电势为E2s;在设备安装现场，室温高于校验室，此时的冷端热电势为E2n。这样就使得仪表输人电势V在生产现场较仪表校验现场偏低的现象。本例中，现场维修工认为补偿导线已经起到了补偿作用，这是错误的认识。事实上，在应用补偿导线使热电偶冷端达到温度相对稳定后,还应该按照实际运行的冷端温度进行冷端温度补偿,常用的简便方法是调整仪表的零点达到补偿目的。也就是说，补偿导线只起到延长冷端的作用，并不能补偿冷端温度不为0℃所造成的温度测量误差(因为热电偶的分度值是以冷端0℃设置的)。从补偿导线的作用来说，补偿名不副实，还是称做延长导线更符合其实际功能。
3.3故障3揭示的要点
(1)补偿导线只能延长冷端，不能补偿冷端温度不为0℃所造成的测量误差。
(2)当热电偶冷端不为0℃，应采取冷端电势补偿措施。
(3)热电偶的校准应考虑使用现场的实际室温;当因季节导致热电偶冷端所处室温改变时,应校准仪表零位。
3.4与故障3相关的技术措施
       冷端补偿的方法有5种，分别是冰浴法、冷端校正法、校正仪表零点法、补偿电桥法、补偿热电偶法。本例中采用的是其中第3种。具体的作业方法可参见相关手册。
4补偿导线的安装故障
4.1故障实例4
       某热加工电阻炉采用热电偶作为测温装置,正常运行半年后出现温度指示指针上下摆动，稳定时指针指向最大。
4.1.1故障现场处理
       检查供电电源、电炉炉体和指示控制仪表及热电偶本体均正常，观察补偿导线，发现补偿导线与指示仪表接线处为导线直接缠绕在接线螺钉上，运行后发热、烧蚀，造成接点接触不良。重新处理接头，原补偿导线为铜-铜镍，在其两端压接铜线鼻子(接线端子),并锡焊,连接处涂抹中性凡士林膏防腐蚀。设备恢复正常，并长期运行无故障。
4.1.2故障原因分析
       补偿导线与仪表输人端接触电阻增大，使得仪表输人端的电势增高。
4.2故障实例5
       采用热电偶作为测温装置的电阻炉，运行中出现温度指示仪表指针.上下摆动，有时指示温度正常，有时没有温度显示。
4.2.1故障现场处理
       同样检查供电电源、电炉炉体和指示控制仪表及热电偶本体均正常，观察补偿导线，发现补偿导线正极有一处与设备外壳接触处破损接地。
4.2.2故障原因分析
       当补偿导线接地时，无信号输出到指示仪表;当接地处因某种原因(牵拉或者移动)暂时脱离接地时，设备正常;出现断续接地时，显示指针上下波动。
4.3故障实例6
      故障5中的电阻炉，一次大修后出现指示仪表指针.上下波动不稳定但波动幅度不大。观察还发现升温过程中，此波动明显;电炉保温时稳定或者偶有波动。
4.3.1故障现场处理
       观察发现温度显示仪表的指针波动与加热电流变化相关。检查补偿导线，发现补偿导线与电阻炉加热电源主电线同向且捆扎-起敷设。单独敷设补偿导线和仪表连接线，使补偿导线与主电源线隔离，故障排除。
4.3.2故障原因分析
       补偿导线受到主电源的电磁干扰。
4.4故障揭示的要点
(1)补偿导线绝缘及保护套管应完好，发现有绝缘破坏或者老化现象应及时更换。
(2)补偿导线与热电偶和指示仪表或变送器连接应牢固可靠。补偿导线的接头应采用接线端子焊接或压接,并做必要的防腐措施。
(3)补偿导线及仪表信号线不得与高电压电源线同管或接近敷设，避免电磁干扰。
5结语
       因热电偶的配置、运行方式不当引起设备不能正常工作、影响产品质量的问题在热加工生产中经常出现。补偿导线是其中的一一个重要故障点。在热电偶的使用、维护中，应当以规范化的作业手段进行安装和运行工作。补偿导线配置、运行方式的规范化是热加工、化工生产等工业生产运行中的一-项重要课题，需要从业人员在实践中结合相关专业知识不断完善、避免设备和生产事故的发生。